JP4886074B2 - バイオマス糖化の前処理方法及びその前処理方法を用いた糖化方法 - Google Patents

Description

本発明はバイオマス糖化の前処理方法及びバイオマス糖化方法に関し、詳しくは澱粉とセルロースの両方を含むバイオマスを糖化処理する前段階で行う前処理方法及びその前処理方法を用いた糖化方法に関する。

植物は、大気中の炭酸ガス、根から吸収した水やミネラルなどを原料として、太陽光のエネルギーを使って多糖類やリグニン、更にはタンパク質、脂肪、ビタミンなど多種類の物質を作ることができる。このような植物やこれを食料とする動物や微生物、昆虫のような生物資源は、バイオマスと呼ばれ、再生産が可能であることから、有限性の石油のような化石資源に代わるものとして注目されている。

植物資源の中でも木材をバイオマスとしてアルコールを製造する場合には、基本的には糖化・発酵によってアルコールが得られるが、木材をそのままセルラーゼと反応させても、木材中の糖はほとんど分解しないことが知られている。

そのために前処理が必要となり、物理学的前処理法（破砕処理、熱水等による加温など）、化学的前処理法（硫酸などの薬品による処理）が研究されている。

硫酸などの薬品による処理には、酸添加設備や酸処理設備が必要であるが、耐食性を考慮する必要があるためコスト高となるおそれがあり、また処理後の酸を除去するのに中和処理を必要とするため、可能ならば避けたいところである。

特開２００８−０９２９２７号公報 特開２００７−１９５４０６号公報

本発明者らは、糖回収率を向上させるために、バイオマスに着目し、原料中にセルロースと澱粉の両方を含む木質系のバイオマスの糖化を試み、セルロースと澱粉の両方から糖を回収し、全体的な糖回収率を向上させ、最終的にエタノール収率を向上させる技術の開発を試みた。

本発明者らが着目したバイオマスは、たとえばサゴヤシ澱粉抽出残渣である。このサゴヤシ澱粉抽出残渣は、サゴヤシ（樹幹（髄部）に澱粉を蓄積する性質がある熱帯性の植物）から澱粉を抽出し、その粕として排出されるもので、その抽出残渣には、セルロースと澱粉が所定濃度含まれている。

一般に、繊維を含むセルロース系のバイオマスを分解するに当たって、繊維分を酵素で分解するには、糖化効率を十分にするための適切な処理が必要である。その処理の際に、酸などの触媒が必要となったり、あるいは反応温度を１２０℃以上の温度にしたりする必要がある。すなわち、繊維に含まれるホロセルロースが加熱処理によって、後段の糖化処理で使用される酵素によって分解されやすい形態に変質される温度は１２０℃以上であるから、繊維を構成するリグニンの溶解を考慮すれば、たとえコスト高となっても、１２０℃以上の温度で処理が必要と考えられていた。

一方、澱粉系のバイオマスでは、従来、澱粉液化酵素を混合して加温しているので、酵素を不活性化しないために、６０〜１００℃で処理していた。

従って、澱粉とセルロースを含むバイオマスの前処理として加熱する場合に、セルロース系のバイオマスと澱粉系のバイオマスでは処理温度が異なっていた。

従来、特許文献１では、澱粉を含むバイオマスと、セルロースを含むバイオマスに、選別し、セルロースは糖化装置でグルコースに糖化してその後発酵を行い、一方、澱粉は糖化せずに固体発酵法で発酵を行い、アルコールを製造している。

しかし、特許文献１のような澱粉とセルロースを選別する手法では、工程数が多くなり、また装置にかかるコストが高くなって、得られるアルコール生産から得られる収益は、それらのコスト増に見合わない問題がある。

またバイオマスを糖化・発酵してアルコールを製造する手法では、糖化工程において、繊維の分解を対象にした処理と、澱粉の分解を対象にした処理をそれぞれ行って糖を回収しようとした場合、酵素糖化を伴う繊維の分解に適した処理、たとえば希硫酸を使用するなどして１６０℃以上の高温にしてしまうと、バイオマスに含まれる澱粉が過分解したり、あるいはアミラーゼで糖化しにくい性質に変質してしまい、澱粉からの糖回収率が低下してしまう問題がある。

従って、この処理を澱粉を対象とする加熱処理（糊化・液化）の前に行うことはできない。

しかし、澱粉を対象とする加熱処理の後に行うと、加熱処理が２段階になって、場合によっては、中和処理が必要となり工程が増加する問題がある。

特許文献２は、サゴヤシをそのままアルコール原料として利用しようとするものであるが、サゴヤシ中に含まれる澱粉を有効に利用することが目的であり、セルロースと澱粉の両方をアルコール原料とするための処理はされていない。

本発明者らは、たとえばサゴヤシ澱粉抽出残渣のような澱粉と、ホロセルロース（セルロース、ヘミセルロース両方合わせたものの総称）も含むバイオマスについて、その双方を原料としてアルコール生産を行うために実験を重ね、工程数を増やさずに両成分の糖化が可能な条件を見出し、本発明を完成させるに至った。

そこで、本発明の課題は、たとえばサゴヤシ澱粉抽出残渣のようなセルロースおよび澱粉を両方含むバイオマスから効率的に糖回収ができる前処理方法及びその前処理方法を用いた糖化方法を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかになる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

請求項１記載の発明は、セルロースと澱粉を含むバイオマスを糖化酵素として少なくともホロセルロースの糖化を行う酵素を用いて糖化処理する前段階に行う前処理方法において、前記バイオマスを、酸処理することなく、６０℃〜１１５℃の温度で加熱処理することを特徴とするバイオマス糖化の前処理方法である。

請求項２記載の発明は、前記加熱処理に供される前記バイオマス中のセルロースと澱粉の組成比（重量比）が、ホロセルロースの重量：澱粉の重量＝１：０．３〜３であることを特徴とする請求項１記載のバイオマス糖化の前
処理方法である。

請求項３記載の発明は、前記バイオマスが、サゴ由来のバイオマスであることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオマス糖化の前処理方法である。

請求項４記載の発明は、セルロースと澱粉を含むバイオマスを糖化酵素により糖化を行う糖化方法であって、前記糖化を行う前に、酸処理することなく、６０℃〜１１５℃の温度で加熱する加熱処理を行い、前記糖化酵素として少なくともホロセルロースの糖化を行う酵素を用いて、前記糖化を行うことを特徴とするバイオマスの糖化方法である。

本発明によれば、たとえばサゴヤシ澱粉抽出残渣のようなセルロースおよび澱粉を両方含むバイオマスから効率的に糖回収ができる前処理方法及びその前処理方法を用いた糖化方法を提供することができる。

小型加熱処理装置の一例を示す正面図 実施例１における実験結果を示すグラフ 実施例２、参考例１における実験結果を示すグラフ 実施例３〜６、参考例２における実験結果を示すグラフ 実施例７における実験結果を示すグラフ

１：反応器
１０：投入口
１１：排出口
１２：連結管
１３：水蒸気管
２：減圧タンク
２０：導入口
２１：加熱処理物取り出し管

以下、本発明について、好ましい実施の形態に基づいて説明する。

＜バイオマス＞
本発明に用いられる、アルコール原料となるバイオマスは、バイオマス中にホロセルロース（セルロース、ヘミセルロース両方合わせたものの総称）成分と澱粉成分を含むものであり、乾物中にホロセルロースの重量と澱粉の重量の比（重量比）が１：０．３〜３の範囲で含むものが好ましい。

サゴ澱粉抽出残渣についての分析例（平成１８年度ＮＥＤＯ報告書：アルコール協会）では、乾物中にホロセルロース成分が４６．０６％、澱粉成分が４２．３％含まれており、ホロセルロースと澱粉の重量比＝１：０．９１であり、デントコーンの分析例ではホロセルロース成分が４９．８６％、澱粉成分が３１．４％含まれており、ホロセルロースと澱粉の重量比＝１：０．６３であり、キャッサバ澱粉粕の分析例ではホロセルロース成分が２５．１％、澱粉成分が６２．７％含まれており、ホロセルロースと澱粉の重量比＝１：２．５である。従って、サゴ澱粉抽出残渣、デントコーン、キャッサバ澱粉は本発明において使用できるバイオマスとして例示できるが、これ以外にもサゴヤシなども含まれる。本発明では、サゴヤシやサゴ澱粉抽出残渣のようなサゴ由来のバイオマスを好ましく使用できる。

本発明において、バイオマスは、固形分濃度が１０〜４０％の範囲であることが好ましく、より好ましくは２０〜３０％の範囲である。

バイオマスは、例えばサゴ澱粉抽出残渣の場合、澱粉製造工場から排出された状態のまま用いることができるが、必要により、乾燥機や天日で乾燥させ、保管・輸送後に水で戻しても、バイオマスを公知の粉砕機で粉砕してもよい。

＜加熱処理＞
本発明において、糖化処理の前処理は、上述のバイオマスを、酸処理することなく、６０℃〜１１５℃の温度で加熱処理する点に特徴がある。かかる温度範囲で前処理すると、バイオマス中にホロセルロース成分と澱粉成分を含んでも、そのバイオマスの糖化率が約６０％程度にまで達し、高い糖化率を実現できる。好ましい処理温度は、６０℃〜１０５℃であり、さらに好ましい処理温度は上限が１００℃以下の温度である。１００℃以下の温度の場合には、高コストな耐圧容器を使用しないで処理できる効果がある。

本発明において、加熱処理時間は、酵素を添加しない場合、１秒〜３０分、好ましくは２秒〜１０分の範囲、より好ましくは２秒〜８分の範囲である。

本発明において、加熱処理の機能は、以下の内容を含む。

第１に、澱粉の膨潤と水和による崩壊機能、及び結晶領域を部分融解させる糊化及び又は液化機能を含む。

第２に、繊維に含まれるホロセルロースが加熱処理によって、後段の糖化処理で使用される酵素によって分解されやすい形態に変質させる機能を含む。従って、本発明の加熱処理温度は、ホロセルロースの融点である約１２５℃以下の範囲で設定される６０℃〜１１５℃の範囲でもバイオマス全体として糖化率が上記のように６０％程度を達成する。

本発明の前処理では、硫酸等の酸処理を行わない点に一つの特徴がある。設備が簡素化され、コスト低減をはかることができ、また処理後に酸を中和する必要がなく、コスト低減に寄与できる。

加熱処理としては、水を加えて煮る処理、水を加えて水蒸気により加熱する処理などが挙げられる。

本発明では、酵素を添加することなく加熱処理するだけで本発明の効果を発揮できるが、酵素を添加することもできる。加熱処理において、α−アミラーゼを使用する場合は、添加量は、ＤＭあたり０．０１〜０．１ｗｔ％を添加でき、反応時間は、酵素反応時関を考慮して、０．５時間〜４時間の範囲が好ましい。

＜糖化・発酵処理＞
糖化処理は、糖化酵素を添加して、ホロセルロース及び澱粉の糖化（加水分解）を行う。発酵処理は、酵母を用いた発酵処理でアルコールを製造する。

糖化処理においては、加熱処理で液化した澱粉を酵素で単糖化する。すなわち液化澱粉やデキストロースからグルコースを生成する処理である。また糖化処理では、加熱処理した繊維のセルロース及びヘミセルロースを、酵素を用いて単糖化する。すなわちセルロースからグルコースを生成する処理である。

糖化酵素としては、澱粉の糖化を行う酵素としてはグルコアミラーゼ等が挙げられ、ホロセルロースの糖化を行う酵素としては、セルラーゼ等が挙げられる。

酵素の添加量は、グルコアミラーゼの場合、基質１ｇ（乾物）（ＤＭ）あたり０．００５〜０．２ｗｔ％の範囲が好ましく、より好ましくは０．０１〜０．１ｗｔ％／ＤＭの範囲である。

またセルラーゼの場合、０．１〜２０ＦＰＵ／ｇＤＭ（ＦＰＵ；フィルターペーパーユニット＝ろ紙崩壊法）の範囲が好ましく、より好ましくは１．０〜１０ＦＰＵ／ｇＤＭの範囲である。

糖化処理は、ホロセルロースの糖化と、澱粉の糖化（加水分解）は、別々の反応容器で行ってもよいが、好ましくは一つの反応容器で行うことである。

発酵処理は、糖化処理で得られた単糖を酵母でアルコールにする処理であるが、酵素糖化と発酵は一つの反応容器で同時に行うこともでき、また糖化処理を行った後に発酵処理を行うこともできる。

発酵処理で使用する酵母は、糖化処理で得られた単糖を資化できる酵母であれば特に限定されない。

糖化と発酵を同時に行う場合に、反応温度は３０℃以上が好ましく、発酵菌の耐熱性によっては４０℃付近にも上げることもできる。また、ｐＨは、使用する酵母の最適ｐＨに調整すればよいが、通常４．０〜７．０の範囲に制御することが好ましく、より好ましくは４．８〜５．０の範囲である。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。
実施例１

サゴ澱粉抽出残渣（ホロセルロース：澱粉の重量比＝１．２：１）を、１００℃に予熱した図１に示す小型加熱処理装置に投入し、反応温度を１００℃として５分間加熱処理した。

図１において、１は反応器であり、１０はサゴ澱粉抽出残渣を投入する投入口である。２は排出タンクであり、側面に反応器１から送られる加熱処理物を導入する導入口２０を備えており、該導入口２０は前記反応器１の下部の排出口１１と連結管１２を介して連結されている。反応器１の下部には加熱用の水蒸気を供給可能な水蒸気管１３が連結されている。排出タンク２の下部には、加熱処理物取り出し管２１が接続されている。

次いで、加熱処理されたサゴ澱粉抽出残渣を、１Ｌステンレス容器に移して糖化処理を行った。１Ｌステンレス容器に絶乾固形物濃度が１０％になるように、クエン酸緩衝液（０．０５Ｍ ｐＨ５．０）で調整して５００ｍｌ入れ、アミラーゼ（ナガセケムテックス社製「ＸＬ−４」）を基質固形物あたり０．０８ｇ、およびセルラーゼ（明治製菓株式会社製）を基質固形物あたり２％添加して、４０℃で糖化反応させた。

糖化反応開始から１６時間後と、４５時間後に、サンプリングし、グルコース濃度を測定した。

糖化率は以下の式で求めた。
糖化率（％）＝（グルコース生成量／投入固形分量）×１００

その結果を図２に示す。

図２より、糖化率が、１６時間後には約５０％、４５時間後には約６０％に到達していることがわかる。

実施例２
実施例１と同様に加熱処理したサゴ澱粉抽出残渣を、５０ｍｌガラスバイアル瓶に移して糖化処理を行った。バイアル瓶に絶乾固形物濃度が２％になるように、クエン酸緩衝液（０．０５Ｍ ｐＨ５．０）で調整して２０ｍｌ入れ、アミラーゼ（ナガセケムテックス社製「ＸＬ−４」）を基質固形物あたり０．０８ｇ、およびセルラーゼ（明治製菓株式会社製）を基質固形物あたり１．５％添加して、４０℃で糖化処理をした。

糖化反応開始から４５時間後に、サンプリングし、グルコース濃度を測定し、糖化率を求めた。

参考例１
実施例２において、添加する酵素をアミラーゼのみにして同様に糖化処理をし、糖化率を求めた。

実施例２および参考例１の糖化率のグラフを図３に示す。

図３より、参考例１が４５％程度の糖化率であるのに対し、実施例２は、約６０％であった。実施例２では、澱粉のほかにホロセルロース分も糖化されたと考えられる。

実施例３
実施例１の加熱処理装置を用いて、サゴ澱粉抽出残渣を１００℃で２〜３秒加熱処理をし、その後、５０ｍｌガラスバイアル瓶に移して糖化処理を行った。バイアル瓶に絶乾固形物濃度が５％になるように、クエン酸緩衝液（０．０５Ｍ ｐＨ５．０）で調整して２０ｍｌ入れ、アミラーゼ（ナガセケムテックス社製「ＸＬ−４」）を基質固形物あたり０．０８ｇ、およびセルラーゼ（明治製菓株式会社製）を基質固形物あたり１％添加して、４５℃で糖化処理をした。

糖化反応開始から４５時間後に、サンプリングし、グルコース濃度を測定し、糖化率を求めた。

実施例４〜６
加熱時間を５分（実施例４）、１０分（実施例５）、３０分（実施例６）とした以外は実施例３と同様にし、糖化率を求めた。

参考例２
加熱処理なしのをサゴ澱粉抽出残渣について、実施例３と同様にし、糖化率を求めた。

実施例３および参考例２の糖化率のグラフを図４に示す。

図４より、実施例３〜６では、糖化率が５０％以上であった。

実施例７
ホロセルロース：澱粉の重量比が１．５：１のサゴ澱粉抽出残渣を、高圧蒸気滅菌器（オートクレーブ）に容器ごと入れ、１００℃で５分間加熱した。

次いで、加熱処理したサゴ澱粉抽出残渣を、５Ｌジャーファーメンターに絶乾固形物濃度が１２％になるように、クエン酸緩衝液（０．０５Ｍ ｐＨ５．０）で調整して３Ｌ入れ、アミラーゼ（ナガセケムテックス社製「ＸＬ−４」）を基質固形物あたり０．０８ｇ、およびセルラーゼ（明治製菓株式会社製）を基質固形物あたり１．５％添加して、４５℃で糖化処理をした。

糖化反応前（糖化処理開始時）と、糖化反応４５時間後に、サンプリングして固形物の主要構成成分（リグニン、澱粉、ホロセルロース、グルコース）濃度を測定した。

結果を図５に示す。

図５より、糖化反応前には６％（反応スラリー中の濃度）程度だったホロセルロースは、糖化後には、２％ほどになっていた。澱粉量を上回るグルコースが得られていることから、澱粉とホロセルロースの双方が糖化されたことが示されている。

Claims (4)

1. セルロースと澱粉を含むバイオマスを糖化酵素として少なくともホロセルロースの糖化を行う酵素を用いて糖化処理する前段階に行う前処理方法において、
   前記バイオマスを、酸処理することなく、６０℃〜１１５℃の温度で加熱処理することを特徴とするバイオマス糖化の前処理方法。
2. 前記加熱処理に供される前記バイオマス中のセルロースと澱粉の組成比（重量比）が、ホロセルロースの重量：澱粉の重量＝１：０．３〜３であることを特徴とする請求項１記載のバイオマス糖化の前処理方法。
3. 前記バイオマスが、サゴ由来のバイオマスであることを特徴とする請求項１又は２記載のバイオマス糖化の前処理方法。
4. セルロースと澱粉を含むバイオマスを糖化酵素により糖化を行う糖化方法であって、
   前記糖化を行う前に、酸処理することなく、６０℃〜１１５℃の温度で加熱する加熱処理を行い、
   前記糖化酵素として少なくともホロセルロースの糖化を行う酵素を用いて、前記糖化を行うことを特徴とするバイオマスの糖化方法。

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